艦船通信系統電磁兼容性設計技術

劉滿堂,尋 遠,劉 悅

(1.中國西南電子技術研究所,成都610036;2.成都天奧信息科技有限公司, 成都611731)

1 引 言

現代戰爭是海陸空天多維立體戰爭,海上力量不可忽視,艦船平臺是海軍作戰的核心,其作戰效能依賴于以通信系統為基礎的武器系統實現,保障系統和作戰管理系統的優勢地位。電子信息技術的發展使艦載電子系統的功能增強,系統架構也變得復雜,各電子系統使用頻譜都趨于擁擠。另外,電子偵察手段多樣化和技術的提高使空中、海上作戰平臺的戰場偵察能力顯著增強,為了艦船隱身和作戰效能發揮,艦載電子系統電磁兼容性(EMC)設計至關重要。本文將對此進行研究。

2 艦船通信系統EMC 設計必要性

艦載環境下通信系統與其他艦載電子系統共同完成作戰使命,這體現了其系統性、綜合性、特殊性、復雜性和適裝性, EMC 設計的意義在于以下幾方面。

(1)海上環境惡劣

惡劣的海洋環境對艦船通信系統破壞嚴重影響屏蔽性能,導致系統兼容性差;鹽霧腐蝕導致無源非線性干擾同樣使系統兼容性下降。

(2)共址干擾

艦船電子設備量多,且功率大,構成了相互寬頻段電磁干擾。當共址發射機較少時,主要地磁干擾(EMI)降級來源于發射機噪聲、接收機減敏和交叉調制。隨發射機數量增加,互調會變成主要的EM I問題。

顯然,數十個發射機共址工作,互調導致的電磁干擾(EMI)問題將非常嚴重。

(3)寬帶騷擾

通信系統是電磁敏感系統,且其頻譜幾乎覆蓋從高頻至微波整個頻段,但是,艦船上各種放電、脈沖、尖峰、瞬變、諧波等所產生的電磁能量同樣覆蓋了很寬的頻段[1],它們不但干擾通信系統并產生交調。通過EMC 設計控制和抑制寬帶騷擾才能保證艦船通信系統正常工作。

(4)編隊艦船間相互干擾

編隊聯合作戰對通信與信息交換能力提出了很高的要求,通信向寬帶、高速率及多網絡方向發展,通信、雷達和電子對抗設備之間易互相干擾。

高數據率和寬帶通信意味著多通道同時工作,頻帶占用寬;可靠的抗干擾數據通信和組網,要求加大發射功率,提高接收靈敏度。當聯合編隊作戰時,區域內各型艦船輻射信號和帶外輻射所導致的艦船間干擾將會比較嚴重。

3 艦船通信系統EMC 設計技術

通常可以采用軟件技術和硬件加固措施保障艦船通信系統電磁兼容性:軟件運算優化配置艦船電子設備位置,使相互電磁干擾降到最低程度,但不一定完全消除;利用硬件加固方式將所剩余的電磁干擾消除,以保證各通信系統的安全運行和不間斷的正常工作,及有效地消除可探明的外來電磁干擾。

3.1 軟件技術

EMC 仿真軟件集建模、仿真和優化為一體,用仿真代替實驗,利用仿真結果,為解決艦船通信系統使用中EMI 問題尋找技術途徑。當前,商業的EMC 仿真軟件大多采用模塊化設計,不同的模塊實現不同的功能,用戶可以根據需要選擇模塊自己進行軟件配置。以下簡單介紹幾種典型的仿真軟件技術特征。

(1)FEKO(任意復雜電磁場計算)仿真軟件

FEKO 軟件是針對天線設計、布局與EMC 分析的專業電磁場分析軟件,以電磁場積分方程和經典矩量法為基礎,采用了多層快速多級子算法,既保持精度又具有較高計算效率,并將矩量法與經典的高頻分析方法無縫結合,非常適合于分析天線設計、雷達散射截面(RCS)、開域輻射、電磁兼容中的各類電磁場分析問題。

(2)FLO/EMC Design Class Electromagnetic Analysis Software for Electronics

FLO/EMC 是專業針對系統級EMC 分析的分析軟件,主要用于系統級的電磁兼容分析。由Flomerics Ltd.公司設計,可進行元件、模塊、系統、天線的EMC 分析設計,采用時域傳輸線矩陣分析方法,電磁場和電流的2D 和3D 可視化模擬,機殼的屏蔽效能分析等,可快速進行模型配置、電路和電線建模、狹縫建模、自動生成網孔、電路建模以及屏蔽效能分析等。

(3)艦船頻率指配軟件

艦船通信系統頻譜擁擠主要表現在頻率資源短缺和缺乏科學有效管理兩方面,為有效進行頻譜管理保障利用率,20 世紀80 年代國外開始艦船頻點指配算法的研究,研究初期和中期僅限于指配給提出需求的用戶比較“干凈”的頻點(受潛在干擾最小的頻點)[2]。這種方法可能會保障現有狀態下兼容工作,但不能保證對未來頻譜指配有利,也許會使將來頻譜指配變得非常困難,不利于頻譜有效利用。因此,國際上開展基于EMC 分析算法的頻率指配新技術研究,這種頻率指配主要特點是:采用計算機技術開展全面詳細EMC 分析,既保證頻譜秩序,又兼顧頻譜利用率;不以“無干擾”為頻點指配依據,以系統能夠承受的最小干擾-干擾概率為依據;當前頻點指配兼顧未來頻譜應用及管理難度。

基于EMC 分析算法的頻率指配,依靠計算機分析和算法技術支持,為艦船通信指揮人員提供高層次、智能化的頻率管理方法,具有很好的應用前景。

3.2 硬件加固技術

3.2.1 共址干擾對消技術

大型艦船由于使用需求配置了多頻段、多功能的各種通信系統,當獨立通信設備收發分時工作狀態下,其發射機帶外亂真信號可能進入另一個系統接收機帶內,不同用途的通信設備同時工作時產生的互調和交調信號進入某處于接收狀態的接收機通帶內形成干擾,造成系統不能正常工作。傳統的解決方法是減弱收發天線之間的耦合或者收發分時工作,但是增加天線之間隔離度受多種條件限制,特別是天線數量多,安裝空間有限,收發分時工作意味著減少接收機正常接收時間,影響通信效率。共址干擾對消技術(Cosite Interference Cancellation,CIC)采用相關對消原理,具有保留有用信號抵消干擾信號的能力,是解決艦船通信系統共址干擾問題的有效途徑[3]。

對消基本原理是通過對發射端取樣,并對其進行相位及幅度調整,并對消接收端的干擾信號。這種對消技術只能解決發射機的主發射對接收機的鄰道干擾問題,無法改善發射機寬帶噪聲對接收機的影響。

當多部設備共址工作,且發射、接收天線分開,多部設備共用接收天線,需要采用多通道對消技術,如圖1 所示[4]。采用對消技術可以有效降低主發射信號對其他設備靈敏度接收的影響。

圖1 多通道對消原理框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel cancellation

雖然對消技術能夠減小主發射強信號對接收機的影響,但如果設備寬帶噪聲指標較差, 艦船EMC設計時,必須考慮發射機的寬帶噪聲干擾問題。梳狀限幅合路器/梳狀限幅放大合路器(CLIC/CLAC)射頻分配技術能夠消除發射機帶外噪聲對接收機的影響。

3.2.2 射頻分配技術

FH 通信系統獨立使用時,具有抗干擾能力。但FH 通信系統工作頻率范圍寬,發射機末級功放和接收機前端都是寬帶的,當多個FH 通信系統共址工作可能引起嚴重的EMI 問題:

(1)發射機寬帶噪聲,可能影響接收機建立和保持同步的能力;

(2)大EMI 信號使接收機前端飽和減敏, 影響接收機建立保持同步的能力;

(3)強EMI 信號在發射機、接收機射頻部分產生互調和交調產物。

為了解決艦載平臺多鏈路通信系統的射頻分配問題,SENTEL 公司研制了解決共址EM I 問題的“限幅合路器和梳狀線性放大合路器”(CLIC/CLAC)[5]。CLIC/CLAC 結構允許多達16 部電臺連接到一個發射天線和一個接收天線,降低共址EMI 問題發生概率,減少艦船頂部天線的數量,從而減小艦船的雷達截面。

在接收端,CLIC 用于將多部接收機連接到一副天線;在發射端,CLAC 用于將多部發射機連接到另一副天線。CLIC/CLAC 的連接框圖見圖2。

圖2 CLIC/CLAC 的原理框圖Fig.2 Block diagram of CLIC/CLAC

CLIC/CLAC 具有機動靈活、適應性好、性能優越的特性。相比之下,以往RF 分配技術局限于工作在限制頻段的多路耦合器,連接單一類型的電臺到指定的天線。

4 案例分析

美國海軍研制的多功能電磁輻射系統(MERS)封閉式射頻綜合桅桿是艦船電磁兼容性與隱身設計的標志性成果。MERS 可將原傳統船桅頂和底部桅橫桿部分替換為2.54 m 高的集成結構,如圖3 所示。

圖3 傳統桅桿及MERS 綜合天線系統Fig.3 Traditional mast and MERS comprehensive system

MERS 六面體將UHF/VHF 視距通信、敵我識別(IFF)、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)和作戰測向(DF)4 種功能的天線集成在一個隱身、重量輕的綜合天線系統中。MERS 在提供新的隱身等性能的同時,重量比傳統桅桿降低了一半。為解決天線集成后收發設備之間的共址電磁干擾問題,MERS 采用了以下先進技術手段。MERS 系統組成如圖4 所示。

圖4 MERS 系統組成框圖Fig.4 Block diagram of MERS system

(1)天線共用技術

射頻天線系統的一體化采用天線共用技術減小天線數量,以降低天線布局設計難度。艦載通信系統的同頻段鏈路多達十多條,應綜合應用功率合成與分離、寬帶多路耦合與隔離等技術,實現射頻結構和饋電系統的共用。

MERS 系統采用了UHF 多路耦合實現了UHF發射天線共用。通過UHF 與測向開關矩陣設備,實現了UHF 全向天線與測向功能天線的共用。

(2)天線布局設計

通信天線頻帶范圍寬,品種多,功能差異大,需要開展天線集成和共形設計。超短波(VHF/UHF)全向天線采用平面化技術,與MERS 側壁共形。更高頻段的JTIDS 和IFF 采用共形設計的環形相控陣天線。MERS 系統天線布局如表1。

(3)自適應干擾抵消技術

MERS 采用自適應干擾對消系統(AICS),將多路UHF 發射信號采樣,對其幅度和相位進行加權后與從發天線耦合至接收通道的信號疊加,以抵消發射天線耦合至接收通道的干擾信號。AICS 可實現30 dB的對消比, 加上天線隔離設計帶來的最小30 dB的隔離度,可減少共場地發射機對同頻段高靈敏度接收機的阻塞干擾,在較小信道保護間隔條件下可保障多路UHF 電臺同時工作[6]。

表1 MERS 系統天線布局Table 1 MERS antenna layout

(4)光電隔離

MERS 采用光纖替代傳統的同軸線纜, 用于UHF 電臺的上下行鏈路和JTIDS 系統。UHF 上行鏈路采用了多路光纖,但是由于AICS 的濾波和天線共用技術,UHF 下行鏈路只需要1 條光纖鏈路。文獻[7]介紹MERS 的光纖系統帶寬大于3.5 GHz,RF 鏈路損耗小于10 dB, 780 MHz 外相位噪聲小于110 dBc/Hz。顯而易見,采用光電轉換技術可降低大型艦船甲板設備至桅桿天線之間連接線纜損耗,同時,可有效降低空間狹小的射頻綜合孔徑體中的線纜束的傳導干擾。

MERS 系統綜合采用天線共用技術、天線布局設計以及自適應干擾對消技術和光電隔離等,實現從VHF 到L 頻段的四大功能系統的同時兼容工作。

5 結束語

20 世紀30 年代開始艦船EMC 技術研究至今,由于起步早、注重技術創新,美國始終處于領先地位,現已將研究范圍擴展至包括電磁干擾、電磁易損性、雷電、電磁輻射危害、電磁脈沖、頻譜兼容性等方面。研究美國海軍EMC 設計技術發展思路和取得的成就,對于我們開展艦船通信系統EMC 設計具有借鑒意義。

基于美軍的研究經驗,為滿足現代艦船作戰需要,艦船EMC 設計必須貫穿于艦船設計、艦載電子設備研制、電子系統(包含通信系統)集成、作戰系統集成及在艦船上安裝全過程。采用新體制、新技術廣泛開展大型艦船通信系統EMC 設計,是現代復雜電磁環境下艦船發揮效能的基本和有效保障條件之一,也是未來艦船通信系統發展趨勢。

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